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      獨(dú)立式光電感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器的研制

      2014-07-09 17:13:15李在海張培旭田秋生
      科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2014年20期
      關(guān)鍵詞:獨(dú)立式迷宮

      李在海+張培旭+田秋生

      摘 要:獨(dú)立式光電感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器(下面簡(jiǎn)稱報(bào)警器)是一款家用型光電感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器,采用了后向散射迷宮以及紅外發(fā)射接收技術(shù),能夠探測(cè)火災(zāi)時(shí)產(chǎn)生的煙霧,并及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。它主要實(shí)現(xiàn)了新國標(biāo)中對(duì)于四種煙的探測(cè),并成為首批通過新國標(biāo)的獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器之一。

      關(guān)鍵詞:獨(dú)立式;光電感煙;后向散射;迷宮;紅外發(fā)射接收

      1 前言

      1.1 家用消防器材備置現(xiàn)狀

      由于我國《消防法》對(duì)于家庭配備消防器材沒有專門的規(guī)定,雖在相關(guān)技術(shù)規(guī)范中對(duì)此進(jìn)行了倡導(dǎo),但不具強(qiáng)制性。這導(dǎo)致目前我國家庭配備消防器材現(xiàn)狀令人擔(dān)憂。

      1.2 家用消防器材市場(chǎng)前景

      中國民用消防市場(chǎng),特別是家用消防器材市場(chǎng),基本屬于未開發(fā)的處女地。隨著人們生活水平的提高,私人財(cái)富的增加,家庭內(nèi)電器、油鍋、液化氣等引起的火災(zāi)隱患時(shí)刻威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。對(duì)于普通家庭來說,配備家用消防器材,防患于未然是非常必要的。

      1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

      在光電感煙探測(cè)器出現(xiàn)以前,主要使用離子感煙探測(cè)器。離子感煙報(bào)警探測(cè)器,對(duì)各種明火煙霧探測(cè)效果較好,對(duì)陰燃火煙霧也能探測(cè),但由于它容易受環(huán)境影響,誤報(bào)警率較高,特別是由于使用了放射源,報(bào)警器退役后使得后期處理比較困難,容易對(duì)環(huán)境造成污染,一種環(huán)保型火災(zāi)探測(cè)器的出現(xiàn)是必然趨勢(shì)。由于半導(dǎo)體發(fā)光管的出現(xiàn)和脈沖技術(shù)的發(fā)展,使光電感煙探測(cè)器迅速發(fā)展。由于光電感煙探測(cè)器具有抗氣流干擾,工作穩(wěn)定,環(huán)境溫度和濕度變化對(duì)它影響小,對(duì)灰白色、顆粒較大的陰燃煙的相應(yīng)比離子探測(cè)器靈敏等特點(diǎn),應(yīng)用非常廣泛。

      1.4 國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

      2006年7月國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)頒布了GB20517-2006《獨(dú)立式感煙火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器》的國家標(biāo)準(zhǔn),并于2007年4月1日起正式實(shí)施。2006年8月,公安部消防局向各省、自治區(qū)、直轄市公安消防總隊(duì)發(fā)出《關(guān)于推廣應(yīng)用獨(dú)立式火災(zāi)探測(cè)報(bào)警器等消防技術(shù)的通知》?!锻ㄖ分忻鞔_規(guī)定,在全國范圍內(nèi)推廣獨(dú)立式感煙探測(cè)報(bào)警器。

      2 報(bào)警器的主要特點(diǎn)

      2.1 電池:采用9V層疊電池供電。

      2.2 工作電流:靜態(tài)電流≤20μA;報(bào)警電流≤10mA。

      2.3 報(bào)警響度:≥80dB (距離3米處)。

      2.4 確認(rèn)燈:每32s閃亮一次,完成一次報(bào)警器電平檢測(cè)。當(dāng)電源電壓低于5.8V±0.3時(shí),約每32s發(fā)出報(bào)警聲一次,同時(shí)報(bào)警燈閃亮,表示需要更換電池。

      2.5 自檢確認(rèn):按下報(bào)警器盒蓋上的檢測(cè)按扭,直到蜂鳴器發(fā)出聲響,確認(rèn)燈閃亮,表明報(bào)警器正常工作。

      2.6 I/O線:報(bào)警器之間通過此線連接在一起使用,可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)聯(lián)報(bào)功能,報(bào)警器數(shù)量≤32。

      2.7 使用環(huán)境:環(huán)境溫度:-10℃~55℃;相對(duì)濕度≤93%(40±2℃ 無凝結(jié))。

      2.8 保護(hù)面積:當(dāng)空間高度為6-12m時(shí),一個(gè)探測(cè)器的保護(hù)面積對(duì)一般場(chǎng)所為80m2;當(dāng)空間高度為6m以下時(shí),保護(hù)面積為60 m2。

      2.9 外型尺寸:Φ143*42(mm)。

      2.10 重量:135g(不含電池)。

      2.11 安裝孔距:89mm。

      2.12 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn):GB 20517-2006。

      3 報(bào)警器設(shè)計(jì)方案

      報(bào)警器采用的是一款包含復(fù)雜的低功率模擬和數(shù)字電路,帶I/O和瞬時(shí)圖形揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)器的光電煙霧探測(cè)芯片。選擇這個(gè)芯片的主要原因是它的功耗很低,這是為了滿足國標(biāo)中用電池作為電源時(shí),保證報(bào)警器能夠連續(xù)工作一年的要求。此芯片用一個(gè)紅外光電盒感測(cè)來自微小煙霧粒子的散射光實(shí)現(xiàn)探測(cè),當(dāng)探測(cè)到煙霧并達(dá)到報(bào)警閾值時(shí),啟動(dòng)外部電路發(fā)出聲光報(bào)警。具體方案如圖1:

      4 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

      4.1 四種煙簡(jiǎn)介

      新國標(biāo)中明確規(guī)定,獨(dú)立式感煙探測(cè)報(bào)警器必須通過四種煙的實(shí)驗(yàn),四種煙包括白煙(木材陰燃火SH1、棉繩陰燃火SH2)和黑煙(聚氨脂泡沫塑料火SH3、正庚烷火SH4)。

      4.2 迷宮的選擇

      散射光式煙傳感器,它是通過一定的角度安裝紅外發(fā)射管和接收管來工作的。沒有煙進(jìn)入時(shí),接收管收不到從發(fā)射管發(fā)出的光。當(dāng)有煙進(jìn)入時(shí),光在煙粒子表面產(chǎn)生漫反射,散射光被接收管接收到后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),即可將煙霧信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),該電信號(hào)隨著煙濃度而上升,直至產(chǎn)生報(bào)警。依照這個(gè)原理發(fā)展出兩種方式,即:前向散射和后向散射光電工作方式。

      其中發(fā)射管和接受管間夾角為鈍角的被稱為前向散射工作方式,目前市場(chǎng)上感煙探測(cè)器主要是這種。普通的前向散射光電探測(cè)器作為離子探測(cè)器的替代方案出現(xiàn),它具有良好的抗潮和環(huán)保性能,但它對(duì)黑白煙的相應(yīng)靈敏度明顯不同,不能滿足國標(biāo)中四種火的實(shí)驗(yàn)要求。

      近年來出現(xiàn)的后向散射型光電感煙探測(cè)器能徹底解決這個(gè)問題,這是一種代表當(dāng)代國際最高水平的感煙探測(cè)技術(shù),目前國內(nèi)、國外掌握此技術(shù)的廠商仍是寥寥無幾。

      迷宮散射角度如圖2所示:

      前向散射型迷宮結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,對(duì)陰燃火有較高的靈敏度,而對(duì)黑煙火靈敏度就較低,即使設(shè)計(jì)合理的前向散射光電探測(cè)報(bào)警器,為了通過SH3和SH4兩種黑煙試驗(yàn)火,也不得不把探測(cè)器的響應(yīng)閾值M調(diào)的很小。過小的M值,給產(chǎn)品的響應(yīng)閾值的一致性會(huì)帶來很大的影響,也給產(chǎn)品的標(biāo)定、生產(chǎn)工藝帶來了困難。

      后向散射型光電探測(cè)器,對(duì)黑煙試驗(yàn)火的探測(cè)靈敏度較高,比較容易解決兩種黑煙試驗(yàn)火的響應(yīng)問題。圖3為探測(cè)器對(duì)SH3黑煙實(shí)驗(yàn)火的響應(yīng)曲線,圖4為探測(cè)器對(duì)SH4黑煙實(shí)驗(yàn)火的響應(yīng)曲線。

      通過圖3、圖4兩幅曲線圖可以看出,后向散射型迷宮對(duì)于兩種黑煙實(shí)驗(yàn)火比離子型探測(cè)報(bào)警器、前向散射探測(cè)報(bào)警器響應(yīng)信號(hào)要好很多,所以選擇后向散射迷宮作為報(bào)警器的迷宮,在這之前,國內(nèi)尚沒有廠家利用后向散射原理設(shè)計(jì)迷宮。

      我們?cè)O(shè)計(jì)的光電感煙探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

      它由光室1和迷宮2組成。迷宮2上有一定數(shù)量的“V”型葉片,可以讓來自不同方向的煙霧進(jìn)入迷宮后,經(jīng)過中心區(qū)域,再從另外一側(cè)流出,有效避免了煙霧進(jìn)入迷宮后還沒有被探測(cè)到就流出了迷宮,同時(shí)防止外界環(huán)境光線直接射入光學(xué)暗室,消除了環(huán)境光線的影響。光室1由發(fā)射管室3、接收管室4、發(fā)射透鏡6,接收透鏡5組成。在理想情況下發(fā)射管室3中的紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光線經(jīng)發(fā)射透鏡聚焦后形成平行光束射出。另一方面接收管室4中的紅外光敏二極管也主要接收入射的平行光線,通過接收透鏡的聚焦作用,平行光線聚焦在紅外光敏二極管的管芯上。發(fā)射管室3軸線PO和接收管室4軸線QO相交于O點(diǎn)。O點(diǎn)被稱為光學(xué)中心。兩軸線PO和QO的夾角稱為散射角。由于該散射角小于90°,故光學(xué)暗室被稱為后向散射型光學(xué)暗室。光室中以光學(xué)中心O為中心是一個(gè)菱形的敏感區(qū)。當(dāng)有煙霧進(jìn)入光學(xué)暗室到達(dá)該敏感區(qū)時(shí),煙霧粒子在由發(fā)射管室3來的紅外光束作用下發(fā)生散射,散射光進(jìn)入接收管室4被紅外光敏二極管接收,轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該信號(hào)隨煙霧濃度的增加而增強(qiáng),對(duì)該信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后即可對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行判斷。

      4.3 外殼的設(shè)計(jì)

      報(bào)警器的外形結(jié)構(gòu)采用飛碟式設(shè)計(jì),使用聚氯乙烯為原料注塑而成,直徑143毫米,這個(gè)空間內(nèi)能容納包括電池、探測(cè)迷宮、電路板、蜂鳴器等部件,整個(gè)報(bào)警器的厚度為43毫米,當(dāng)報(bào)警器被安裝到天花板上時(shí),顯得很不突出,而它卻可以大大提高探測(cè)靈敏度,因?yàn)楫?dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí),產(chǎn)生的煙霧到達(dá)天花板時(shí)會(huì)向四周擴(kuò)散,所以報(bào)警器的探測(cè)區(qū)域越接近天花板就越容易探測(cè)到煙霧。

      4.4 防蟲網(wǎng)的選擇

      我們采用了在迷宮上面加電腐蝕不銹鋼防蟲網(wǎng)的措施(網(wǎng)格面積不大于1mm2),以保證小的昆蟲不會(huì)進(jìn)入迷宮,引起誤報(bào)警。

      4.5 蜂鳴器的選擇

      采用了三線壓電式蜂鳴器,固定在底座上,保證了蜂鳴器報(bào)警聲音大于80dB。

      4.6 信噪比的提高

      由于國內(nèi)塑料制品的制造工藝不夠好,使得迷宮注塑件表面較粗糙。當(dāng)然,這與迷宮的復(fù)雜程度是有關(guān)系的。這就使接收到的信號(hào)噪聲比較大,也就是我們通常所說的本底值。當(dāng)有煙時(shí)的信號(hào)值與本底值之比就小,也就是信噪比低。為了提高信噪比,經(jīng)多方調(diào)研、咨詢,選擇了一種叫做黑蠟的石油化工制品,并與乙醚稀釋,將迷宮在稀釋液中浸泡,取出晾干,迷宮內(nèi)壁十分光亮,表面粗糙不見了,安裝后試驗(yàn),信噪比提高一倍。

      4.7 發(fā)射管、接收管的確定

      對(duì)于不同入射光波長、不同尺寸的煙霧粒子其散射信號(hào)不同的原理,一般的煙霧粒徑分布在0.001~4μm之間,但是在上述范圍內(nèi)并不是平均分布的, 絕大多數(shù)煙霧粒子屬于中等粒徑粒子,密集地分布在680nm~900nm的光波長范圍內(nèi),只有極少量屬于小粒徑粒子和大粒徑粒子。

      紅外發(fā)射、接收的二極管有很多,其工作光波長在800 ~1100nm,常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940nm左右。而且紅外線的特點(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備工作,也不會(huì)影響周邊環(huán)境,且電路調(diào)試簡(jiǎn)單。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約100mW,發(fā)射功率較小,紅外接收二極管收到的信號(hào)較弱,所以接收端就要增加高增益放大電路。接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管,使用時(shí)要給紅外接收二極管加反向偏壓,它才能正常工作而獲得高的靈敏度。

      我們選取了IR333-A、PD638B和IR383、PD638C兩組發(fā)射接收管做一個(gè)示例對(duì)比,并通過正反向電阻實(shí)驗(yàn),確定其中一組。

      通過在不等距離處對(duì)兩對(duì)發(fā)射接收管的正反向電阻變化值可以看出,電阻值變化越大,對(duì)于煙霧粒子產(chǎn)生的散射越強(qiáng),接受管接收的信號(hào)也就越大,對(duì)更有效的探測(cè)火災(zāi)以及提高報(bào)警器的靈敏度起到積極作用,所以我們選擇了IR333-A和PD638B這一組紅外對(duì)管作為我們光學(xué)暗室的紅外發(fā)射接收管。

      5 主要實(shí)驗(yàn)

      5.1 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

      發(fā)射電阻的選擇,主要是控制發(fā)射電流的大小,以確定紅外發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度。通過上面實(shí)驗(yàn)可以看出,在3.3Ω的時(shí)候呢,報(bào)警器已經(jīng)處于不正常的工作狀態(tài),即發(fā)射電流過大導(dǎo)致報(bào)警器靈敏度太高而對(duì)本底的探測(cè)報(bào)警;在發(fā)射電阻為4.2-8.2Ω時(shí)候報(bào)警器處于正常工作狀態(tài),發(fā)射電阻在10Ω之上,報(bào)警器靈敏度降低,對(duì)進(jìn)煙實(shí)驗(yàn)不響應(yīng);為了是報(bào)警器對(duì)煙霧的靈敏度處在一個(gè)正常工作狀態(tài)的中間狀態(tài),我們選擇了5.1Ω的發(fā)射電阻。 如表2所示:

      表2 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

      5.2 方位實(shí)驗(yàn)

      以報(bào)警器的中心為原點(diǎn),等分為8份,在每一個(gè)方位上進(jìn)行煙箱標(biāo)定實(shí)驗(yàn),最終確定報(bào)警器的最不靈敏方位,因?yàn)橐院蟮闹貜?fù)性、一致性、沖擊、四種煙等實(shí)驗(yàn)都是在報(bào)警器的最不靈敏方位進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。并且要求每次標(biāo)定的最大值與最小值之比不大于1.6。如表3所示:

      表3 方位實(shí)驗(yàn)

      5.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

      我們?nèi)?只報(bào)警器在最不靈敏的5#方位進(jìn)行6次靈敏度標(biāo)定,其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表4所示:

      5.4 一致性實(shí)驗(yàn)

      我們?nèi)?只報(bào)警器在8個(gè)方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定,其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表5所示:

      5.5 沖擊實(shí)驗(yàn)

      我們?nèi)?只報(bào)警器進(jìn)行試驗(yàn)后,在最不靈敏的5#方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定,試驗(yàn)后的標(biāo)定值與試驗(yàn)前的標(biāo)定值比值應(yīng)小于1.6。如表6所示:

      5.6 火災(zāi)靈敏度實(shí)驗(yàn)

      燃燒實(shí)驗(yàn)主要是進(jìn)行的正庚烷火的黑煙實(shí)驗(yàn),最終的標(biāo)定報(bào)警器的報(bào)警閾值m達(dá)到新國標(biāo)的Ⅲ級(jí)響應(yīng)閾值。如表7所示:

      6 結(jié)束語

      報(bào)警器的開發(fā)過程,經(jīng)歷了主要器件的選型、結(jié)構(gòu)的確定、基本功能的反復(fù)實(shí)驗(yàn)以及產(chǎn)品的認(rèn)證送檢工作;并且成為首批通過新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品之一。

      在該報(bào)警器基礎(chǔ)上,我們開發(fā)了獨(dú)立式煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、無線煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、帶語音報(bào)警的獨(dú)立式報(bào)警器,使我們的產(chǎn)品形成一個(gè)家用消防報(bào)警系統(tǒng),豐富了產(chǎn)品類型。

      我們?cè)O(shè)計(jì)的光電感煙探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

      它由光室1和迷宮2組成。迷宮2上有一定數(shù)量的“V”型葉片,可以讓來自不同方向的煙霧進(jìn)入迷宮后,經(jīng)過中心區(qū)域,再從另外一側(cè)流出,有效避免了煙霧進(jìn)入迷宮后還沒有被探測(cè)到就流出了迷宮,同時(shí)防止外界環(huán)境光線直接射入光學(xué)暗室,消除了環(huán)境光線的影響。光室1由發(fā)射管室3、接收管室4、發(fā)射透鏡6,接收透鏡5組成。在理想情況下發(fā)射管室3中的紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光線經(jīng)發(fā)射透鏡聚焦后形成平行光束射出。另一方面接收管室4中的紅外光敏二極管也主要接收入射的平行光線,通過接收透鏡的聚焦作用,平行光線聚焦在紅外光敏二極管的管芯上。發(fā)射管室3軸線PO和接收管室4軸線QO相交于O點(diǎn)。O點(diǎn)被稱為光學(xué)中心。兩軸線PO和QO的夾角稱為散射角。由于該散射角小于90°,故光學(xué)暗室被稱為后向散射型光學(xué)暗室。光室中以光學(xué)中心O為中心是一個(gè)菱形的敏感區(qū)。當(dāng)有煙霧進(jìn)入光學(xué)暗室到達(dá)該敏感區(qū)時(shí),煙霧粒子在由發(fā)射管室3來的紅外光束作用下發(fā)生散射,散射光進(jìn)入接收管室4被紅外光敏二極管接收,轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該信號(hào)隨煙霧濃度的增加而增強(qiáng),對(duì)該信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后即可對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行判斷。

      4.3 外殼的設(shè)計(jì)

      報(bào)警器的外形結(jié)構(gòu)采用飛碟式設(shè)計(jì),使用聚氯乙烯為原料注塑而成,直徑143毫米,這個(gè)空間內(nèi)能容納包括電池、探測(cè)迷宮、電路板、蜂鳴器等部件,整個(gè)報(bào)警器的厚度為43毫米,當(dāng)報(bào)警器被安裝到天花板上時(shí),顯得很不突出,而它卻可以大大提高探測(cè)靈敏度,因?yàn)楫?dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí),產(chǎn)生的煙霧到達(dá)天花板時(shí)會(huì)向四周擴(kuò)散,所以報(bào)警器的探測(cè)區(qū)域越接近天花板就越容易探測(cè)到煙霧。

      4.4 防蟲網(wǎng)的選擇

      我們采用了在迷宮上面加電腐蝕不銹鋼防蟲網(wǎng)的措施(網(wǎng)格面積不大于1mm2),以保證小的昆蟲不會(huì)進(jìn)入迷宮,引起誤報(bào)警。

      4.5 蜂鳴器的選擇

      采用了三線壓電式蜂鳴器,固定在底座上,保證了蜂鳴器報(bào)警聲音大于80dB。

      4.6 信噪比的提高

      由于國內(nèi)塑料制品的制造工藝不夠好,使得迷宮注塑件表面較粗糙。當(dāng)然,這與迷宮的復(fù)雜程度是有關(guān)系的。這就使接收到的信號(hào)噪聲比較大,也就是我們通常所說的本底值。當(dāng)有煙時(shí)的信號(hào)值與本底值之比就小,也就是信噪比低。為了提高信噪比,經(jīng)多方調(diào)研、咨詢,選擇了一種叫做黑蠟的石油化工制品,并與乙醚稀釋,將迷宮在稀釋液中浸泡,取出晾干,迷宮內(nèi)壁十分光亮,表面粗糙不見了,安裝后試驗(yàn),信噪比提高一倍。

      4.7 發(fā)射管、接收管的確定

      對(duì)于不同入射光波長、不同尺寸的煙霧粒子其散射信號(hào)不同的原理,一般的煙霧粒徑分布在0.001~4μm之間,但是在上述范圍內(nèi)并不是平均分布的, 絕大多數(shù)煙霧粒子屬于中等粒徑粒子,密集地分布在680nm~900nm的光波長范圍內(nèi),只有極少量屬于小粒徑粒子和大粒徑粒子。

      紅外發(fā)射、接收的二極管有很多,其工作光波長在800 ~1100nm,常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940nm左右。而且紅外線的特點(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備工作,也不會(huì)影響周邊環(huán)境,且電路調(diào)試簡(jiǎn)單。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約100mW,發(fā)射功率較小,紅外接收二極管收到的信號(hào)較弱,所以接收端就要增加高增益放大電路。接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管,使用時(shí)要給紅外接收二極管加反向偏壓,它才能正常工作而獲得高的靈敏度。

      我們選取了IR333-A、PD638B和IR383、PD638C兩組發(fā)射接收管做一個(gè)示例對(duì)比,并通過正反向電阻實(shí)驗(yàn),確定其中一組。

      通過在不等距離處對(duì)兩對(duì)發(fā)射接收管的正反向電阻變化值可以看出,電阻值變化越大,對(duì)于煙霧粒子產(chǎn)生的散射越強(qiáng),接受管接收的信號(hào)也就越大,對(duì)更有效的探測(cè)火災(zāi)以及提高報(bào)警器的靈敏度起到積極作用,所以我們選擇了IR333-A和PD638B這一組紅外對(duì)管作為我們光學(xué)暗室的紅外發(fā)射接收管。

      5 主要實(shí)驗(yàn)

      5.1 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

      發(fā)射電阻的選擇,主要是控制發(fā)射電流的大小,以確定紅外發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度。通過上面實(shí)驗(yàn)可以看出,在3.3Ω的時(shí)候呢,報(bào)警器已經(jīng)處于不正常的工作狀態(tài),即發(fā)射電流過大導(dǎo)致報(bào)警器靈敏度太高而對(duì)本底的探測(cè)報(bào)警;在發(fā)射電阻為4.2-8.2Ω時(shí)候報(bào)警器處于正常工作狀態(tài),發(fā)射電阻在10Ω之上,報(bào)警器靈敏度降低,對(duì)進(jìn)煙實(shí)驗(yàn)不響應(yīng);為了是報(bào)警器對(duì)煙霧的靈敏度處在一個(gè)正常工作狀態(tài)的中間狀態(tài),我們選擇了5.1Ω的發(fā)射電阻。 如表2所示:

      表2 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

      5.2 方位實(shí)驗(yàn)

      以報(bào)警器的中心為原點(diǎn),等分為8份,在每一個(gè)方位上進(jìn)行煙箱標(biāo)定實(shí)驗(yàn),最終確定報(bào)警器的最不靈敏方位,因?yàn)橐院蟮闹貜?fù)性、一致性、沖擊、四種煙等實(shí)驗(yàn)都是在報(bào)警器的最不靈敏方位進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。并且要求每次標(biāo)定的最大值與最小值之比不大于1.6。如表3所示:

      表3 方位實(shí)驗(yàn)

      5.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

      我們?nèi)?只報(bào)警器在最不靈敏的5#方位進(jìn)行6次靈敏度標(biāo)定,其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表4所示:

      5.4 一致性實(shí)驗(yàn)

      我們?nèi)?只報(bào)警器在8個(gè)方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定,其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表5所示:

      5.5 沖擊實(shí)驗(yàn)

      我們?nèi)?只報(bào)警器進(jìn)行試驗(yàn)后,在最不靈敏的5#方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定,試驗(yàn)后的標(biāo)定值與試驗(yàn)前的標(biāo)定值比值應(yīng)小于1.6。如表6所示:

      5.6 火災(zāi)靈敏度實(shí)驗(yàn)

      燃燒實(shí)驗(yàn)主要是進(jìn)行的正庚烷火的黑煙實(shí)驗(yàn),最終的標(biāo)定報(bào)警器的報(bào)警閾值m達(dá)到新國標(biāo)的Ⅲ級(jí)響應(yīng)閾值。如表7所示:

      6 結(jié)束語

      報(bào)警器的開發(fā)過程,經(jīng)歷了主要器件的選型、結(jié)構(gòu)的確定、基本功能的反復(fù)實(shí)驗(yàn)以及產(chǎn)品的認(rèn)證送檢工作;并且成為首批通過新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品之一。

      在該報(bào)警器基礎(chǔ)上,我們開發(fā)了獨(dú)立式煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、無線煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、帶語音報(bào)警的獨(dú)立式報(bào)警器,使我們的產(chǎn)品形成一個(gè)家用消防報(bào)警系統(tǒng),豐富了產(chǎn)品類型。

      我們?cè)O(shè)計(jì)的光電感煙探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

      它由光室1和迷宮2組成。迷宮2上有一定數(shù)量的“V”型葉片,可以讓來自不同方向的煙霧進(jìn)入迷宮后,經(jīng)過中心區(qū)域,再從另外一側(cè)流出,有效避免了煙霧進(jìn)入迷宮后還沒有被探測(cè)到就流出了迷宮,同時(shí)防止外界環(huán)境光線直接射入光學(xué)暗室,消除了環(huán)境光線的影響。光室1由發(fā)射管室3、接收管室4、發(fā)射透鏡6,接收透鏡5組成。在理想情況下發(fā)射管室3中的紅外發(fā)射管發(fā)出紅外光線經(jīng)發(fā)射透鏡聚焦后形成平行光束射出。另一方面接收管室4中的紅外光敏二極管也主要接收入射的平行光線,通過接收透鏡的聚焦作用,平行光線聚焦在紅外光敏二極管的管芯上。發(fā)射管室3軸線PO和接收管室4軸線QO相交于O點(diǎn)。O點(diǎn)被稱為光學(xué)中心。兩軸線PO和QO的夾角稱為散射角。由于該散射角小于90°,故光學(xué)暗室被稱為后向散射型光學(xué)暗室。光室中以光學(xué)中心O為中心是一個(gè)菱形的敏感區(qū)。當(dāng)有煙霧進(jìn)入光學(xué)暗室到達(dá)該敏感區(qū)時(shí),煙霧粒子在由發(fā)射管室3來的紅外光束作用下發(fā)生散射,散射光進(jìn)入接收管室4被紅外光敏二極管接收,轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該信號(hào)隨煙霧濃度的增加而增強(qiáng),對(duì)該信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算處理后即可對(duì)火災(zāi)危險(xiǎn)進(jìn)行判斷。

      4.3 外殼的設(shè)計(jì)

      報(bào)警器的外形結(jié)構(gòu)采用飛碟式設(shè)計(jì),使用聚氯乙烯為原料注塑而成,直徑143毫米,這個(gè)空間內(nèi)能容納包括電池、探測(cè)迷宮、電路板、蜂鳴器等部件,整個(gè)報(bào)警器的厚度為43毫米,當(dāng)報(bào)警器被安裝到天花板上時(shí),顯得很不突出,而它卻可以大大提高探測(cè)靈敏度,因?yàn)楫?dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí),產(chǎn)生的煙霧到達(dá)天花板時(shí)會(huì)向四周擴(kuò)散,所以報(bào)警器的探測(cè)區(qū)域越接近天花板就越容易探測(cè)到煙霧。

      4.4 防蟲網(wǎng)的選擇

      我們采用了在迷宮上面加電腐蝕不銹鋼防蟲網(wǎng)的措施(網(wǎng)格面積不大于1mm2),以保證小的昆蟲不會(huì)進(jìn)入迷宮,引起誤報(bào)警。

      4.5 蜂鳴器的選擇

      采用了三線壓電式蜂鳴器,固定在底座上,保證了蜂鳴器報(bào)警聲音大于80dB。

      4.6 信噪比的提高

      由于國內(nèi)塑料制品的制造工藝不夠好,使得迷宮注塑件表面較粗糙。當(dāng)然,這與迷宮的復(fù)雜程度是有關(guān)系的。這就使接收到的信號(hào)噪聲比較大,也就是我們通常所說的本底值。當(dāng)有煙時(shí)的信號(hào)值與本底值之比就小,也就是信噪比低。為了提高信噪比,經(jīng)多方調(diào)研、咨詢,選擇了一種叫做黑蠟的石油化工制品,并與乙醚稀釋,將迷宮在稀釋液中浸泡,取出晾干,迷宮內(nèi)壁十分光亮,表面粗糙不見了,安裝后試驗(yàn),信噪比提高一倍。

      4.7 發(fā)射管、接收管的確定

      對(duì)于不同入射光波長、不同尺寸的煙霧粒子其散射信號(hào)不同的原理,一般的煙霧粒徑分布在0.001~4μm之間,但是在上述范圍內(nèi)并不是平均分布的, 絕大多數(shù)煙霧粒子屬于中等粒徑粒子,密集地分布在680nm~900nm的光波長范圍內(nèi),只有極少量屬于小粒徑粒子和大粒徑粒子。

      紅外發(fā)射、接收的二極管有很多,其工作光波長在800 ~1100nm,常用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長為940nm左右。而且紅外線的特點(diǎn)是不干擾其他電器設(shè)備工作,也不會(huì)影響周邊環(huán)境,且電路調(diào)試簡(jiǎn)單。單只紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率約100mW,發(fā)射功率較小,紅外接收二極管收到的信號(hào)較弱,所以接收端就要增加高增益放大電路。接收電路的紅外接收管是一種光敏二極管,使用時(shí)要給紅外接收二極管加反向偏壓,它才能正常工作而獲得高的靈敏度。

      我們選取了IR333-A、PD638B和IR383、PD638C兩組發(fā)射接收管做一個(gè)示例對(duì)比,并通過正反向電阻實(shí)驗(yàn),確定其中一組。

      通過在不等距離處對(duì)兩對(duì)發(fā)射接收管的正反向電阻變化值可以看出,電阻值變化越大,對(duì)于煙霧粒子產(chǎn)生的散射越強(qiáng),接受管接收的信號(hào)也就越大,對(duì)更有效的探測(cè)火災(zāi)以及提高報(bào)警器的靈敏度起到積極作用,所以我們選擇了IR333-A和PD638B這一組紅外對(duì)管作為我們光學(xué)暗室的紅外發(fā)射接收管。

      5 主要實(shí)驗(yàn)

      5.1 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

      發(fā)射電阻的選擇,主要是控制發(fā)射電流的大小,以確定紅外發(fā)射管的發(fā)射強(qiáng)度。通過上面實(shí)驗(yàn)可以看出,在3.3Ω的時(shí)候呢,報(bào)警器已經(jīng)處于不正常的工作狀態(tài),即發(fā)射電流過大導(dǎo)致報(bào)警器靈敏度太高而對(duì)本底的探測(cè)報(bào)警;在發(fā)射電阻為4.2-8.2Ω時(shí)候報(bào)警器處于正常工作狀態(tài),發(fā)射電阻在10Ω之上,報(bào)警器靈敏度降低,對(duì)進(jìn)煙實(shí)驗(yàn)不響應(yīng);為了是報(bào)警器對(duì)煙霧的靈敏度處在一個(gè)正常工作狀態(tài)的中間狀態(tài),我們選擇了5.1Ω的發(fā)射電阻。 如表2所示:

      表2 發(fā)射電阻實(shí)驗(yàn)

      5.2 方位實(shí)驗(yàn)

      以報(bào)警器的中心為原點(diǎn),等分為8份,在每一個(gè)方位上進(jìn)行煙箱標(biāo)定實(shí)驗(yàn),最終確定報(bào)警器的最不靈敏方位,因?yàn)橐院蟮闹貜?fù)性、一致性、沖擊、四種煙等實(shí)驗(yàn)都是在報(bào)警器的最不靈敏方位進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。并且要求每次標(biāo)定的最大值與最小值之比不大于1.6。如表3所示:

      表3 方位實(shí)驗(yàn)

      5.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

      我們?nèi)?只報(bào)警器在最不靈敏的5#方位進(jìn)行6次靈敏度標(biāo)定,其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表4所示:

      5.4 一致性實(shí)驗(yàn)

      我們?nèi)?只報(bào)警器在8個(gè)方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定,其中最大值與最小值的比值應(yīng)小于1.6。如表5所示:

      5.5 沖擊實(shí)驗(yàn)

      我們?nèi)?只報(bào)警器進(jìn)行試驗(yàn)后,在最不靈敏的5#方位進(jìn)行靈敏度標(biāo)定,試驗(yàn)后的標(biāo)定值與試驗(yàn)前的標(biāo)定值比值應(yīng)小于1.6。如表6所示:

      5.6 火災(zāi)靈敏度實(shí)驗(yàn)

      燃燒實(shí)驗(yàn)主要是進(jìn)行的正庚烷火的黑煙實(shí)驗(yàn),最終的標(biāo)定報(bào)警器的報(bào)警閾值m達(dá)到新國標(biāo)的Ⅲ級(jí)響應(yīng)閾值。如表7所示:

      6 結(jié)束語

      報(bào)警器的開發(fā)過程,經(jīng)歷了主要器件的選型、結(jié)構(gòu)的確定、基本功能的反復(fù)實(shí)驗(yàn)以及產(chǎn)品的認(rèn)證送檢工作;并且成為首批通過新標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的產(chǎn)品之一。

      在該報(bào)警器基礎(chǔ)上,我們開發(fā)了獨(dú)立式煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、無線煙溫復(fù)合探測(cè)報(bào)警器、帶語音報(bào)警的獨(dú)立式報(bào)警器,使我們的產(chǎn)品形成一個(gè)家用消防報(bào)警系統(tǒng),豐富了產(chǎn)品類型。

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